项目名称：    不同水动力条件下污染物输移过程及系统耦合模型研究

推荐单位：    教育部

项目简介：    不同水动力条件下污染物输移过程及系统耦合模型研究是水力学、河流水动力学、地下水动力学及海岸动力学等领域的重要组成部分，适用于陆域水系水资源保护和海洋环境保护科学理论研究，应用于水利、环保、海洋行业。课题组早在80年代后期就开始了相关研究。针对地表水、地下水及近海水环境质量不断下降的实际情况，从宏观规律和微观机理方面进行了系统研究。主要研究内容和科学价值包括：

（1）研究污染物在地表水域不同水动力条件下输移过程和环境行为，探讨不同时空尺度条件下江河湖库水域中污染物输移规律，建立符合不同水域特征的系统耦合模型，提出了两相湍浮力分层流双流体模型和考虑速度与温度垂向分布不均匀引起流散效应的全场模型，在输移规律认识、基本原理阐明和模拟方法建立上有创新性的科学价值。

（2）研究污染物质在地下水系统不同水动力条件下迁移转化规律，探讨地表水体和污染物入渗的内部机理和环境行为，在地表水和地下水系统中污染物质互相转换机理、耦合模拟和计算方程离散格式等方面有新的进展。

（3）研究陆地-海洋界面通量交换的机理和过程，探讨陆源污染物地下入海路径和通量，提出了"地下河口"的理论框架，揭示海滩边界水动力条件对近海地下水运动和传质的影响，探讨地下水与海水交换量和污染物迁移内在规律，提出了一种辐射应力计算新方法和波浪增减水的实用模拟模型。

（4）研究不同水动力条件下有机污染物在水生生物中富集与释放规律及生物降解速率常数和降解半衰期，揭示化合物的毒性作用和生物降解机理，得到生物富集因子和化合物在鱼体内的代谢规律，为污染物对生物影响分析和生态评估奠定理论基础。

成果已在国内外期刊上发表论文282篇，其中SCI收录116篇，EI收录144篇。论文被他人引用932篇次，其中被SCI他人引用497篇次。成果已应用于地表水和地下水资源保护工作、科学研究和人才培养之中，取得了系列创新性成果，揭示了基本规律，推动了学科发展。

主要发现点：  （1）发现了太湖河网区河流不同水文和时空尺度对典型污染物（氮、磷、化学需氧量）输移转化有不同的影响规律，其中大尺度顺直河流净污能力弱于中小尺度自然河流，提出了河网区不同尺度河流污染物输移特性的变换原理和变换方法，建立不同水文和时空尺度条件下水域纳污能力一维、二维和三维模型，以及河网区河流～湖泊～河口耦合联解模型。（水力学，论文[1]、[8]）

（2）发现了河流滨水带和沉水植物不仅对河流水动力条件和行洪能力产生重要影响，而且对水体中泥沙和污染物输移、扩散、沉降、再悬浮、转化等也具有重要作用的自然现象，建立考虑水生植物影响作用下水体、泥沙和污染物输移转化模型，提出水生植物对水流影响的拖曳阻力和对污染物输移转化的附加作用项，为河流和湖泊水动力特性和污染物输移过程模拟提供了新方法。（水力学，论文[3]、[10]）

（3）提出了两相湍浮力分层流双流体模型和考虑速度与温度垂向分布不均匀引起流散效应的应力代数全场模型，在衔接边界处理、水动力三角联解、污染源控制反问题等方面有创新性成果。提出将BI-CGSTAB方法推广应用于椭圆型缓坡方程的求解的新方法，并首次在微机群集并行系统上进行了实现，计算效率提高了数十倍以上。（水力学，论文[5]、[6]）

（4）提出全新的"地下河口"理论框架，阐明了陆地～海洋交界带内在相互作用的机理，发现了海滩边界水动力条件对近海地下水运动和物质输移的影响规律，探明了地下水与海水、内陆与海域污染物相互交换量的特性，提出了辐射应力计算新方法和波浪增减水的实用模拟模型，建立了地下水波动和污染物迁移模型，揭示了地下水超短以及超长周期波动的原理，推动了沿海地下水和物质输移的科学理论和研究方法的发展。（水力学，论文[7]、[9]）

（5）发现了不同水动力条件下污染物对多种水生生物的急性和联合毒性、生物富集与释放、生物代谢，以及在自然条件下的生物降解性过程和完整的化合物毒性作用机理，阐明了化合物的结构与其生物活性之间内在的定量关系，筛选出了水体中需要重点监控的污染物名单，发展了QSBR技术，建立了有机毒物在不同水动力条件下生物降解性预测模型，并成功用于生态风险评价之中。（水力学，论文[2]、[4]）

主要完成人：  1.   王超

王超对推荐书《主要发现点》栏目中的第（1）、（2）和（5）发现点做出了贡献，代表性论文[1]、[2]、[3]和[10]，投入本项目研究的工作量占本人工作量的80%，发现了河网区河流不同水文和时空尺度对污染物输移转化有不同的影响规律，提出了河网区不同尺度河流污染物输移特性的变换原理和变换方法，建立不同尺度条件下水域纳污能力模型及河网区河流～湖泊～河口耦合联解模型。

2.   沈永明

沈永明对推荐书《主要发现点》栏目中的第（1）和（3）发现点做出了贡献，代表性论文[5]、[6]和[8]，投入本项目研究的工作量占本人工作量的75%，提出了两相湍浮力分层流双流体模型和考虑速度与温度垂向分布不均匀引起流散效应的应力代数模型，提出将BI-CGSTAB方法应用于椭圆型缓坡方程的求解方法，并首次在微机群集并行系统上进行了实现，计算效率提高了数十倍以上。

3.   李凌

李凌对推荐书《主要发现点》栏目中的第（4）发现点做出了贡献，代表性论文[7]和[9]，投入本项目研究的工作量占本人工作量的70%，提出全新"地下河口"理论框架，发现了海滩边界水动力条件对近海地下水运动和物质输移的影响规律，提出了辐射应力计算和波浪增减水模拟模型及地下水波动和污染物迁移模型，揭示了地下水超短以及超长周期波动的原理。

4.   陆光华

陆光华对推荐书《主要发现点》栏目中的第（2）和（5）发现点做出了贡献，代表性论文[2]、[3]和[4]，投入本项目研究的工作量占本人工作量的65%，发现了污染物对多种水生生物的急性和联合毒性、生物富集与代谢，阐明了化合物的结构与生物活性之间内在的定量关系，筛选出了水体中需要重点监控的污染物名单，发展了QSBR技术，建立了有机毒物在水体中生物降解性模型。

5.   王沛芳

王沛芳对推荐书《主要发现点》栏目中的第（2）发现点做出了贡献，代表性论文[10]，投入本项目研究的工作量占本人工作量的60%，发现了河流滨水带和沉水植物不仅对河流水动力条件和行洪能力产生重要影响，建立考虑水生植物影响作用下水体、泥沙和污染物输移转化模型，提出水生植物对水流影响的拖曳阻力和对污染物输移转化的附加作用项。

10篇代表性论文：  1.   Total concentrations and fractions of Cd, Cr, Pb, Cu, Ni and Zn in sewage sludge from municipal and industrial wastewater treatment plants

2.   Quantitative structure-activity relationships for the toxicity of substituted benzenes to Cyprinus carpio

3.   Quantitative structure- biodegradation relationship study for biodegradation rates of substituted benzenes by river bacteria

4.   QSAR study on the toxicity of substuted benzenes to the algae (Scenedesmus obliquus)

5.   Quasi-three-dimensional Refined Modelling of Turbulent Flow and Water Quality in Coastal Waters

6.   3D Numerical modeling of non-isotropic turbulent buoyant helicoidal flow and heat transfer in a curved open channel

7.   Similarity solution of axisymmetric flow in porous media

8.   A Three-dimensional Numerical Model of Hydrodynamics and Water Quality in Hakata Bay

9.   Field trial of a new aeration system for enhancing biodegradation in a biopile

10.  Modeling of the mixture of wastewater discharged from a submerged multiport diffuser in Nantong sea-area